清華新聞網(wǎng)6月1日電 近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院成會(huì)明院士、周光敏副教授課題組在鋰離子電池直接回收與產(chǎn)物功能化領(lǐng)域取得系列成果，為鋰離子電池的清潔回收及產(chǎn)物利用提出了新方法和途徑。
隨著移動(dòng)電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用和新能源汽車(chē)的爆發(fā)式增長(zhǎng)，鋰離子電池的消耗量與日俱增。預(yù)計(jì)到2023年，我國(guó)廢棄鋰電池的產(chǎn)量將會(huì)突破50萬(wàn)噸。大量的廢棄鋰電池既是環(huán)境污染物，也是寶貴的金屬資源?，F(xiàn)行的鋰離子電池回收方法包括火法、濕法回收等，存在著能耗高、使用酸堿試劑造成二次污染等問(wèn)題。因此，課題組研究人員著力發(fā)展直接回收，并拓展回收產(chǎn)物的用途，實(shí)現(xiàn)回收產(chǎn)物的高值化利用。團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種含鋰低共熔溶劑直接修復(fù)正極材料的方法以及廢棄正極材料原位轉(zhuǎn)化為高性能催化劑的方法。
圖1.基于低共熔溶劑的直接回收方法
調(diào)配含鋰的低共熔溶劑，在常壓下可以實(shí)現(xiàn)對(duì)失效正極材料組分的選擇性修復(fù)，且全過(guò)程不涉及有害試劑和廢物的排放，能夠明顯縮短回收流程并大幅降低排放。再生正極材料的性能與商業(yè)化正極材料基本一致，且低共熔溶劑可以循環(huán)再利用，大幅降低了回收過(guò)程的試劑成本。由于回收過(guò)程的縮短、試劑成本以及排放的大幅降低，回收過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性相比于傳統(tǒng)的火法、濕法回收大大提高，具有較大的實(shí)際應(yīng)用前景。
圖2.再生正極材料的性能與低共熔溶劑的循環(huán)利用
圖3.基于低共熔溶劑的直接回收方法的經(jīng)濟(jì)性分析
圖4.廢棄電池回收及NiMnCo-AC催化劑制備的工藝流程示意圖
開(kāi)發(fā)原位快速熱輻射合成方法，從廢棄NMC三元正極中回收NiMnCo混合溶液后將其負(fù)載到活性炭載體上，經(jīng)過(guò)隨后的快速熱輻射過(guò)程制成NiMnCo-AC納米催化劑。所合成的NiMnCo-AC催化劑具有良好的ORR/OER雙功能催化活性，性能優(yōu)于商業(yè)化的Pt-AC催化劑。DFT計(jì)算表明，Ni核誘導(dǎo)了NiMnCoO4殼層中電子結(jié)構(gòu)的重新分布，因此NiMnCoO4殼層為ORR/OER過(guò)程提供了有效的活性位點(diǎn)?；贜iMnCo-AC的水系鋅離子電池，在電流密度為10mA cm-2的條件下充放電電壓差為0.72V，且能夠穩(wěn)定循環(huán)200h。將NiMnCo-AC催化劑用于柔性鋅空氣電池中不僅能夠點(diǎn)亮LED，還能夠用于手機(jī)充電，為其在柔性鋅空氣電池中的應(yīng)用帶來(lái)了前景。
圖5.NiMnCo-AC納米催化劑的電催化性能分析
圖6. NiMnCo-AC催化劑在鋅空氣電池中的電化學(xué)性能
相關(guān)工作分別以“失效LiCoO2的直接綠色修復(fù)再利用于鋰離子電池”（Direct and green repairing of degraded LiCoO2 for reuse in lithium-ion batteries）和“回收廢三元正極制備鋅-空氣電池雙功能鎳錳鈷催化劑”（Recycling spent LiNi1-x-yMnxCoyO2cathodes to bifunctional NiMnCocatalysts for zinc-air batteries）為題發(fā)表在《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“NSR”）和《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院學(xué)報(bào)》（Proceedings of the National Academy of Sciences，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“PNAS”）上。
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院成會(huì)明教授、周光敏副教授為上述論文通訊作者，上海交通大學(xué)梁正副教授為NSR論文共同通訊作者。清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2020級(jí)博士后焦妙倫、張祺和葉陳良為PNAS論文的共同第一作者，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院、上海交通大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的2020級(jí)博士后王俊雄，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2020級(jí)博士后張琪、盛進(jìn)之為NSR論文的共同第一作者。電池回收的相關(guān)研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、清華深圳國(guó)際研究生院跨學(xué)科研究與創(chuàng)新基金及欽禾節(jié)能環(huán)保集團(tuán)有限公司等項(xiàng)目和單位的支持。
論文鏈接：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2202202119
https://doi.org/10.1093/nsr/nwac097
供稿：深圳國(guó)際研究生院
題圖設(shè)計(jì)：金婭辰
編輯：李華山
審核：呂婷
